一种宽负载范围高效率BUCK型DC-DC转换器的研究

发布时间：2017-06-09 02:06

  本文关键词：一种宽负载范围高效率BUCK型DC-DC转换器的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在现代电子设备中,电源管理芯片是必不可少的一个重要组件。随着现代技术的发展,电路的集成度越来越高,需要电源管理芯片提供较大的输出负载,同时高效率也是电源管理芯片的基本要求。本文设计了一款宽输出范围高效率的峰值电流控制模式同步整流BUCK型DC-DC转换器。其采用新型无损的DCR采样,避免了外加一个采样电阻,减少了转换器的导通损耗,显著提升了大电流输出条件下的效率。本文设计了轻载情况下的三种工作模式,突发模式、跳脉冲模式和强迫连续模式,突发模式具有最高的效率和最差的纹波,强迫连续模式具有最差的效率和最好的纹波特性,而跳脉冲模式是两者的折中,可以根据不同的工作需求选择在轻载下不同的工作模式。同步整流技术利用同步管两端较低的导通压降,提升了效率,本文又为同步整流技术设计了必须的死区时间控制。自举电容可以保证NMOS开关功率管充分导通,减少导通损耗,电平移位电路和栅极驱动电路用以保证开关管充分而迅速地开启关断。可选的片内次级电源设计使得当输入电压很高时,可以通过外接一个高效率的LDO次级电源或者直接利用输出电压给片内模块供电,降低了转换器的损耗。此外本文还设计了斜坡恢复电路,以抵消斜坡恢复造成的最大输出电流的下降,提高了转换器的带载能力。论文先是阐述了开关电源芯片研究的背景及意义,随后介绍了开关电源转换器的基本工作原理和几种基本分类。随后着重分析了开关电源转换器的几种损耗的分类及来源,为下文的高效率的系统设计打下理论基础。之后,介绍了本文采用的几种提升转换器效率的技术,包括同步整流及死区时间控制、DCR采样技术和轻载下的三种工作模式。接着设计与分析了电路中几个重要的基本模块及电路,对其进行了仿真验证并给出各项参数。最后搭建了转换器的系统仿真电路,对转换器系统功能验证以及关键参数的仿真。本文仿真采用CSMC/40 V BCD工艺,仿真工具为Cadence及H-spice。仿真结果表明系统能够正常工作,且各项性能良好符合设计要求。最大输出负载电流为20A,最高效率可达93%,且在全负载范围内都有很高的效率,整体满足设计要求。
【关键词】：DC-DC转换器 同步整流 DCR采样 突发模式 斜坡恢复
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-13
• 1.1 开关电源芯片的研究背景及意义10
• 1.2 开关电源分类及简介10-11
• 1.3 课题国内外研究现状与发展趋势11
• 1.4 论文的主要工作和章节安排11-13
• 第二章 BUCK型DC-DC转换器原理分析13-24
• 2.1 BUCK型DC-DC转换器基本工作原理13-19
• 2.1.1 PWM调制和PFM调制14-16
• 2.1.2 电压控制和电流控制模式16-17
• 2.1.3 CCM和DCM导通模式17-19
• 2.2 BUCK转换器损耗分析19-22
• 2.2.1 导通损耗19-20
• 2.2.2 动态损耗20-22
• 2.2.3 静态损耗22
• 2.3 本章小结22-24
• 第三章 BUCK DC-DC转换器高效率系统设计24-36
• 3.1 同步整流技术及死区时间控制24-25
• 3.2 轻载下效率提升技术25-30
• 3.2.1 Pulse-Skipping模式26-27
• 3.2.2 Burst模式27-29
• 3.2.3 强制连续模式29-30
• 3.3 无损电流采样技术30-35
• 3.3.1 电感电流采样技术30-34
• 3.3.2 电感DCR采样34-35
• 3.4 本章总结35-36
• 第四章 开关电源模块设计与仿真36-67
• 4.1 基准模块36-49
• 4.1.1 基准模块设计39-47
• 4.1.2 仿真结果与分析47-49
• 4.2 误差放大器49-57
• 4.2.1 误差放大器模块研究与分析50-55
• 4.2.2 误差放大器仿真结果与分析55-57
• 4.3 片内次级电源57-62
• 4.3.1 高效率系统设计57-58
• 4.3.2 片内LDO电路设计58-61
• 4.3.3 片内次级电源仿真结果与分析61-62
• 4.4 驱动与控制电路62-66
• 4.4.1 死区时间控制电路62-63
• 4.4.2 自举电路设计63
• 4.4.3 驱动电路63-65
• 4.4.4 仿真结果与分析65-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第五章 转换器总体仿真67-77
• 5.1 转换器整体架构67-68
• 5.2 转换器总体仿真拓扑68-69
• 5.3 转换器仿真结果及分析69-75
• 5.3.1 转换器上电启动仿真69-70
• 5.3.2 线性调整率仿真70-71
• 5.3.3 负载调整率仿真71-72
• 5.3.4 带载能力仿真72
• 5.3.5 轻载下三种工作模式72-74
• 5.3.6 转换器效率仿真74-75
• 5.4 本章总结75-77
• 第六章 总结77-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-82
• 攻硕期间的研究成果82-83

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